CN111472897A - 一种具有微小流道集液腔的双组元姿控推力器喷注器 - Google Patents
一种具有微小流道集液腔的双组元姿控推力器喷注器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种具有微小流道集液腔的双组元姿控推力器喷注器，包括：氧路接嘴、燃路接嘴、喷注器结构体和推力室对接接口；其中，氧路接嘴、燃路接嘴和推力室对接接口分别与喷注器结构体一体化连接；氧路接嘴位于喷注器结构体上游端面的一侧；燃路接嘴位于喷注器结构体上游端面的另一侧；推力室对接接口位于喷注器结构体下游端面；喷注器结构体开设有喷注器氧路流道和喷注器燃路流道；其中，喷注器氧路流道的一端与氧路接嘴相连通，喷注器氧路流道的另一端与推力室对接接口相连通；喷注器燃路流道的一端与燃路接嘴相连通，喷注器燃路流道的另一端与推力室对接接口相连通。本发明产生高质量的雾化，使氧化剂和燃烧剂在推力室内高效的掺混和燃烧。
Description
技术领域
本发明属于航天飞行器的姿态控制、位置保持、动量轮卸载技术领域，尤其涉及一种具有微小流道集液腔的双组元姿控推力器喷注器。
背景技术
双组元姿控推力器通过喷注器来实现氧、燃两路推进剂的喷注，通过压降势能使推进剂在高速的喷出后，在内、外力的扰动作用下，快速的实现液滴的雾化、蒸发，使两种推进剂快速的进行气相自燃反应。
对于姿控推力器而言，希望具有质量轻，响应快的特点，所以希望喷注器尺寸尽量偏小，结构简单，通道体积较小。现有的姿控推力器采用多种零件组成内部流道，结构形状复杂，连接成型困难，而且死通道、盲孔较多。这样一方面增大了喷注器内流道的集液腔容积，影响了喷注器的动态特性，使其瞬态响应能力降低；另一方面在加工过程中大量的依赖钎焊、电子束焊接，导致喷注器结构尺寸偏大、重量偏重，而且流道容易受到焊接变形影响。
为了解决这个问题，发展出了层板技术，将喷注器分割为多个层板，每个层板加工出各自的流道，最后叠加在一起来拼接出氧、燃完整的流道。通过扩散焊接的方式将多个层板连接在一起，实现了紧凑的设计构型。但是，这种结构也存在一定的缺陷。首先，扩散焊的质量一旦有问题，导致氧、燃通道没有完全隔离，会导致发生爆炸的灾难性后果。此外，扩散焊接过程中流道的变形，或者层板之间的错位，也会对推进剂的雾化质量带来严重的干扰和隐患。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种具有微小流道集液腔的双组元姿控推力器喷注器，具有一体化的结构，仅由一个零件组成，结构强度高，重量体积小。一旦上游电磁阀开启以后，氧化剂、燃烧剂分别通过氧路、燃路接嘴流入喷注器进入完全隔离的氧、燃流道内，并通过精确的流道设计，将推进剂分配到若干个均匀分布的喷注小孔，分别按照一定质量流量比例喷出，产生高质量的雾化，使氧化剂和燃烧剂在推力室内高效的掺混和燃烧。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种具有微小流道集液腔的双组元姿控推力器喷注器，包括：氧路接嘴、燃路接嘴、喷注器结构体和推力室对接接口；其中，所述氧路接嘴、所述燃路接嘴和所述推力室对接接口分别与所述喷注器结构体一体化连接；所述氧路接嘴位于喷注器结构体上游端面的一侧；所述燃路接嘴位于喷注器结构体上游端面的另一侧；所述推力室对接接口位于所述喷注器结构体下游端面，所述推力室对接接口的中心轴线与所述喷注器结构体的中心轴线M相重合；所述氧路接嘴和所述燃路接嘴关于所述喷注器结构体的中心轴线M对称；所述喷注器结构体开设有喷注器氧路流道和喷注器燃路流道；其中，所述喷注器氧路流道的一端与所述氧路接嘴相连通，所述喷注器氧路流道的另一端与所述推力室对接接口相连通；所述喷注器燃路流道的一端与所述燃路接嘴相连通，所述喷注器燃路流道的另一端与所述推力室对接接口相连通。
上述具有微小流道集液腔的双组元姿控推力器喷注器中，所述喷注器氧路流道包括氧路入口流道、氧路中心分配流道、氧路分流道和氧路喷孔；其中，氧路入口流道为带有90°拐角的圆柱细长孔，将喷注器氧路流道从一侧的位置引入到喷注器结构体的中心，与氧路中心分配流道对接；氧路中心分配流道包括氧路中心圆柱孔和若干条氧路圆孔流道，其中，氧路中心圆柱孔与四周径向辐射若干条氧路圆孔流道相连通；氧路分流道包括与氧路圆孔流道数量相对应的氧路圆柱孔，每个氧路圆柱孔与相对应的氧路圆孔流道相连通；氧路喷孔的数量与氧路圆柱孔的数量一致，每个氧路喷孔与相对应的氧路圆柱孔相连通，其中，氧路喷孔的中心轴线与氧路圆柱孔的中心轴线相重合。
上述具有微小流道集液腔的双组元姿控推力器喷注器中，所述喷注器燃路流道包括燃路喷孔、燃路分流道、燃路中心分配流道和燃路入口流道；其中，燃路入口流道为带有90°拐角的圆柱细长孔，将喷注器燃路流道从一侧的位置引入到喷注器结构体的中心，拐角的轴向位置与氧路入口流道的拐角位置错开，保证两路通道安全隔离，之后与燃路中心分配流道对接；燃路中心分配流道包括燃路中心圆柱孔和若干条燃路圆孔流道，其中，燃路中心圆柱孔与四周径向辐射若干条燃路圆孔流道相连通；燃路分流道包括与燃路圆孔流道数量相对应的燃路圆柱孔，每个燃路圆柱孔与相对应的燃路圆孔流道相连通；燃路喷孔的数量与燃路圆柱孔的数量一致，每个燃路喷孔与相对应的燃路圆柱孔相连通，其中，燃路喷孔的中心轴线与燃路圆柱孔的中心轴线相重合。
上述具有微小流道集液腔的双组元姿控推力器喷注器中，所述氧路接嘴为中心台阶孔的圆柱台，其中心孔与氧路入口流道同轴心对接。
上述具有微小流道集液腔的双组元姿控推力器喷注器中，所述燃路接嘴为中心台阶孔的圆柱台，其中心孔与燃路入口流道同轴心对接。
上述具有微小流道集液腔的双组元姿控推力器喷注器中，氧路喷孔的长度与氧路喷孔的孔径关系公式如下：
L＝K·d；
其中，L为氧路喷孔的长度，d为氧路喷孔的孔径，K取值在5～10范围内。
上述具有微小流道集液腔的双组元姿控推力器喷注器中，燃路喷孔(7)的长度与燃路喷孔的孔径关系公式如下：
L'＝K·d'；
其中，L'为燃路喷孔的长度，d'为燃路喷孔的孔径，K取值在5～10范围内。
上述具有微小流道集液腔的双组元姿控推力器喷注器中，氧路喷孔的数量通过以下公式得到：
其中，n为氧路喷孔的数量，Q为液体质量流量，Cd为流量系数，d为氧路喷孔的孔径，ρ为液体密度，g为重力加速度，ΔP为入口压力与背压之间的压差。
上述具有微小流道集液腔的双组元姿控推力器喷注器中，燃路喷孔的数量通过以下公式得到：
其中，n'为燃路喷孔的数量，Q为液体质量流量，Cd为流量系数，d'为燃路喷孔的孔径，ρ为液体密度，g为重力加速度，ΔP为入口压力与背压之间的压差。
上述具有微小流道集液腔的双组元姿控推力器喷注器中，所述氧路分流道的孔径为氧路喷孔的孔径的3～10倍。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)本发明使得氧化剂和燃烧剂能够在喷注器较小的体积结构内将流道分配到多个均布的喷孔内，并保持绝对的安全隔离，实现了轻质化小体积设计，力学性能非常出色，适用于如星舰分离期间等各种恶劣的力学环境条件。
(2)本发明提出的双组元姿控推力器喷注器，由于流道通道尺寸非常小，使得喷注器的集液腔容积很小，有利于提高姿控推力器喷注器的动态响应特性，提高推力器的脉冲性能；
(3)本发明提出的双组元姿控推力器喷注器，由于可以构建复杂的内部流道，所以可以将单独的氧路、燃路通道分配到若干个小直径的均布通道中，实现多孔喷射。由于每个喷孔的直径可以做的很小，所以在一定的压降条件下，大幅提高了喷注器的喷注速度和雾化性能，非常有利于推进剂快速的蒸发、掺混，实现高效的燃烧，提升推力器的性能。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1是本发明实施例提供的具有微小流道集液腔的双组元姿控推力器喷注器的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的喷注器与推力室对接示意图；
图3是本发明实施例提供的喷注器氧路流道示意图；
图4是本发明实施例提供的喷注器燃路流道示意图；
图5是本发明实施例提供的喷注器接口示意图；
图6是本发明实施例提供的喷注器氧、燃喷孔示意图；
图7是本发明实施例提供的氧路中心分配流道示意图；
图8是本发明实施例提供的燃路中心分配流道示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
图1是本发明实施例提供的具有微小流道集液腔的双组元姿控推力器喷注器的结构示意图。如图1所示，该具有微小流道集液腔的双组元姿控推力器喷注器包括：氧路接嘴1、燃路接嘴12、喷注器结构体11和推力室对接接口6；其中，
所述氧路接嘴1、所述燃路接嘴12和所述推力室对接接口6分别与所述喷注器结构体11一体化连接；所述氧路接嘴1位于喷注器结构体11上游端面的一侧；所述燃路接嘴12位于喷注器结构体11上游端面的另一侧；所述推力室对接接口6位于所述喷注器结构体11下游端面，所述推力室对接接口6的中心轴线与所述喷注器结构体11的中心轴线M相重合；所述氧路接嘴1和所述燃路接嘴12关于所述喷注器结构体11的中心轴线M对称；所述喷注器结构体11开设有喷注器氧路流道和喷注器燃路流道；其中，所述喷注器氧路流道的一端与所述氧路接嘴1相连通，所述喷注器氧路流道的另一端与所述推力室对接接口6相连通；所述喷注器燃路流道的一端与所述燃路接嘴12相连通，所述喷注器燃路流道的另一端与所述推力室对接接口6相连通。
喷注体结构11为带有外耳法兰和若干螺纹孔的圆柱体，外耳法兰用于与航天器安装支架对接，结构体的上游端面布置若干螺纹孔，用于与系统上游的阀门或管路对接，喷注器的氧路流道和燃路流道均布置在喷注器结构体11中。
如图2所示，推力室对接接口6位于喷注器结构体11下游端面的同心中空凸台，用于与推力器下游的推力室对接；可以通过焊接或者螺接的方式与推力器下游的推力室对接。
如图3所示，喷注器氧路流道由氧路入口流道2、氧路中心分配流道3、氧路分流道4、氧路喷孔5组成。
氧路接嘴1位于喷注器结构体11上游端面的一侧，为中心台阶孔的圆柱台，其中心孔与氧路入口流道2同轴心对接。氧路入口流道2为带有90°拐角的圆柱细长孔，将氧路流道从一侧的位置引入到喷注器的中心，与氧路中心分配流道3对接。氧路中心分配流道3为辐射状圆孔，其中心为较大直径的圆柱孔，圆柱孔的侧壁与四周径向辐射若干条较细直径的圆孔流道连通，再与在一定直径节圆上均布的若干条氧路分流道4对接。氧路分流道4为若干条圆柱孔，与直径更小的氧路喷孔5同轴心对接，接通外界环境。
具体的，如图7所示，氧路中心分配流道3包括氧路中心圆柱孔31和若干条氧路圆孔流道32，其中，氧路中心圆柱孔31与四周径向辐射若干条氧路圆孔流道32相连通；氧路分流道4包括与氧路圆孔流道32数量相对应的氧路圆柱孔，每个氧路圆柱孔与相对应的氧路圆孔流道32相连通；氧路喷孔5的数量与氧路圆柱孔的数量一致，每个氧路喷孔5与相对应的氧路圆柱孔相连通，其中，氧路喷孔5的中心轴线与氧路圆柱孔的中心轴线相重合。
如图4所示，喷注器燃路流道由燃路喷孔7、燃路分流道8、燃路中心分配流道9和燃路入口流道10组成。
燃路接嘴12位于喷注器结构体11上游端面的另一侧，为中心台阶孔的圆柱台，与氧路接嘴1关于喷注器结构体11的中心位置呈对称布局，其中心孔与燃路入口流道2同轴心对接。燃路入口流道10为带有90°拐角的圆柱细长孔，将氧路流道从一侧的位置引入到喷注器的中心，但拐角的轴向位置必须与氧路入口流道2的拐角位置错开，保证两路通道安全隔离，之后与燃路中心分配流道9对接。燃路中心分配流道9为辐射状圆孔，其中心为较大直径的圆柱孔，圆柱孔的侧壁与四周径向辐射若干条较细直径的圆孔流道连通，再与在一定直径节圆上均布的若干条燃路分流道8对接。燃路分流道8为若干条圆柱孔，圆孔中心所在的节圆直径应小于分流道孔中心所在的节圆直径。燃路分流道8与直径更小的燃路喷孔7同轴心对接，接通外界环境。
具体的，如图8所示，燃路中心分配流道9包括燃路中心圆柱孔91和若干条燃路圆孔流道92，其中，燃路中心圆柱孔91与四周径向辐射若干条燃路圆孔流道92相连通；燃路分流道8包括与燃路圆孔流道92数量相对应的燃路圆柱孔，每个燃路圆柱孔与相对应的燃路圆孔流道92相连通；燃路喷孔7的数量与燃路圆柱孔的数量一致，每个燃路喷孔7与相对应的燃路圆柱孔相连通，其中，燃路喷孔7的中心轴线与燃路圆柱孔的中心轴线相重合。
氧路喷孔5的长度与氧路喷孔5的孔径关系公式如下：
L＝K·d；
其中，L为氧路喷孔5的长度，d为氧路喷孔5的孔径，K取值在5～10范围内。
在此长径比下，可以保证氧路喷孔加工的圆度和直线度，提高氧化剂雾化的质量和均匀性。由于该孔径很小，应优先采用激光飞秒加工技术实现。
燃路喷孔7的长度与燃路喷孔7的孔径关系公式如下：
L'＝K·d'；
其中，L'为燃路喷孔5的长度，d'为燃路喷孔5的孔径，K取值在5～10范围内。
在此长径比下，可以保证燃路喷孔加工的圆度和直线度，提高燃烧剂雾化的质量和均匀性。由于该孔径很小，应优先采用激光飞秒加工技术实现。
氧路喷孔5的数量通过以下公式得到：
其中，n为氧路喷孔5的数量，Q为液体质量流量，Cd为流量系数，d为氧路喷孔5的孔径，ρ为液体密度，g为重力加速度，ΔP为入口压力与背压之间的压差。
通过该公式可以合理的分配每个单孔氧化剂喷射的压降，保证在燃烧室截面范围内尽可能的实现氧化剂均匀且高效的雾化。
燃路喷孔7的数量通过以下公式得到：
其中，n'为燃路喷孔7的数量，Q为液体质量流量，Cd为流量系数，d'为燃路喷孔7的孔径，ρ为液体密度，g为重力加速度，ΔP为入口压力与背压之间的压差。
通过该公式可以合理的分配每个单孔燃烧剂喷射的压降，保证在燃烧室截面范围内尽可能的实现燃烧剂均匀且高效的雾化。
如图5所示，喷注体结构为带有外耳法兰和内部若干螺纹孔的圆柱体，外耳法兰的法兰孔用于与航天器安装支架对接。喷注器的上游端面布置若干螺纹孔，用于与系统上游的阀门或管路对接。
如图6所示，从喷注器下游底板仰视氧路喷孔5和燃路喷孔7的布局，分别呈圆周均布排列，燃路喷孔7在内，氧路喷孔5在外，两种喷孔交错排列，以提高雾化蒸发以后的混合效率。外圈的氧路喷孔5不可距离推力室对接接口6的内壁面过近，防止雾锥接触到接口壁面而影响雾化质量。与氧路喷孔5和燃路喷孔7对接的氧路分流道4和燃路分流道8，直径应比喷孔大3～10倍，一方面可以保证喷孔加工后可以与分流道接通，另一方面防止分流道发生节流问题。
如图7所示，通过氧路中心分配流道3，将氧化剂从上游的氧路入口流道2导入到氧路分流道4中。氧路喷孔5与氧路分流道4逐一对应，同轴心对接。
如图8所示，通过燃路中心分配流道9，将燃烧剂从上游的燃路入口流道10导入到燃路分流道8中。燃路喷孔7与氧燃路分流道8逐一对应，同轴心对接。
本发明使得氧化剂和燃烧剂能够在喷注器较小的体积结构内将流道分配到多个均布的喷孔内，并保持绝对的安全隔离，实现了轻质化小体积设计，力学性能非常出色，适用于如星舰分离期间等各种恶劣的力学环境条件。
本发明提出的双组元姿控推力器喷注器，由于流道通道尺寸非常小，使得喷注器的集液腔容积很小，有利于提高姿控推力器喷注器的动态响应特性，提高推力器的脉冲性能；
本发明提出的双组元姿控推力器喷注器，由于可以构建复杂的内部流道，所以可以将单独的氧路、燃路通道分配到若干个小直径的均布通道中，实现多孔喷射。由于每个喷孔的直径可以做的很小，所以在一定的压降条件下，大幅提高了喷注器的喷注速度和雾化性能，非常有利于推进剂快速的蒸发、掺混，实现高效的燃烧，提升推力器的性能。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (10)
1.一种具有微小流道集液腔的双组元姿控推力器喷注器，其特征在于包括：氧路接嘴(1)、燃路接嘴(12)、喷注器结构体(11)和推力室对接接口(6)；其中，
所述氧路接嘴(1)、所述燃路接嘴(12)和所述推力室对接接口(6)分别与所述喷注器结构体(11)一体化连接；
所述氧路接嘴(1)位于喷注器结构体(11)上游端面的一侧；所述燃路接嘴(12)位于喷注器结构体(11)上游端面的另一侧；
所述推力室对接接口(6)位于所述喷注器结构体(11)下游端面，所述推力室对接接口(6)的中心轴线与所述喷注器结构体(11)的中心轴线M相重合；
所述氧路接嘴(1)和所述燃路接嘴(12)关于所述喷注器结构体(11)的中心轴线M对称；
所述喷注器结构体(11)开设有喷注器氧路流道和喷注器燃路流道；其中，所述喷注器氧路流道的一端与所述氧路接嘴(1)相连通，所述喷注器氧路流道的另一端与所述推力室对接接口(6)相连通；所述喷注器燃路流道的一端与所述燃路接嘴(12)相连通，所述喷注器燃路流道的另一端与所述推力室对接接口(6)相连通。
2.根据权利要求1所述的具有微小流道集液腔的双组元姿控推力器喷注器，其特征在于：所述喷注器氧路流道包括氧路入口流道(2)、氧路中心分配流道(3)、氧路分流道(4)和氧路喷孔(5)；其中，
氧路入口流道(2)为带有90°拐角的圆柱细长孔，将喷注器氧路流道从一侧的位置引入到喷注器结构体(11)的中心，与氧路中心分配流道(3)对接；氧路中心分配流道(3)包括氧路中心圆柱孔(31)和若干条氧路圆孔流道(32)，其中，氧路中心圆柱孔(31)与四周径向辐射若干条氧路圆孔流道(32)相连通；氧路分流道(4)包括与氧路圆孔流道(32)数量相对应的氧路圆柱孔，每个氧路圆柱孔与相对应的氧路圆孔流道(32)相连通；氧路喷孔(5)的数量与氧路圆柱孔的数量一致，每个氧路喷孔(5)与相对应的氧路圆柱孔相连通，其中，氧路喷孔(5)的中心轴线与氧路圆柱孔的中心轴线相重合。
3.根据权利要求2所述的具有微小流道集液腔的双组元姿控推力器喷注器，其特征在于：所述喷注器燃路流道包括燃路喷孔(7)、燃路分流道(8)、燃路中心分配流道(9)和燃路入口流道(10)；其中，
燃路入口流道(10)为带有90°拐角的圆柱细长孔，将喷注器燃路流道从一侧的位置引入到喷注器结构体(11)的中心，拐角的轴向位置与氧路入口流道(2)的拐角位置错开，保证两路通道安全隔离，之后与燃路中心分配流道(9)对接；燃路中心分配流道(9)包括燃路中心圆柱孔(91)和若干条燃路圆孔流道(92)，其中，燃路中心圆柱孔(91)与四周径向辐射若干条燃路圆孔流道(92)相连通；燃路分流道(8)包括与燃路圆孔流道(92)数量相对应的燃路圆柱孔，每个燃路圆柱孔与相对应的燃路圆孔流道(92)相连通；燃路喷孔(7)的数量与燃路圆柱孔的数量一致，每个燃路喷孔(7)与相对应的燃路圆柱孔相连通，其中，燃路喷孔(7)的中心轴线与燃路圆柱孔的中心轴线相重合。
4.根据权利要求2所述的具有微小流道集液腔的双组元姿控推力器喷注器，其特征在于：所述氧路接嘴(1)为中心台阶孔的圆柱台，其中心孔与氧路入口流道(2)同轴心对接。
5.根据权利要求3所述的具有微小流道集液腔的双组元姿控推力器喷注器，其特征在于：所述燃路接嘴(12)为中心台阶孔的圆柱台，其中心孔与燃路入口流道(2)同轴心对接。
6.根据权利要求2所述的具有微小流道集液腔的双组元姿控推力器喷注器，其特征在于：氧路喷孔(5)的长度与氧路喷孔(5)的孔径关系公式如下：
L＝K·d；
其中，L为氧路喷孔(5)的长度，d为氧路喷孔(5)的孔径，K取值在5～10范围内。
7.根据权利要求3所述的具有微小流道集液腔的双组元姿控推力器喷注器，其特征在于：燃路喷孔(7)的长度与燃路喷孔(7)的孔径关系公式如下：
L'＝K·d'；
其中，L'为燃路喷孔(5)的长度，d'为燃路喷孔(5)的孔径，K取值在5～10范围内。
8.根据权利要求2所述的具有微小流道集液腔的双组元姿控推力器喷注器，其特征在于：氧路喷孔(5)的数量通过以下公式得到：
其中，n为氧路喷孔(5)的数量，Q为液体质量流量，Cd为流量系数，d为氧路喷孔(5)的孔径，ρ为液体密度，g为重力加速度，ΔP为入口压力与背压之间的压差。
9.根据权利要求3所述的具有微小流道集液腔的双组元姿控推力器喷注器，其特征在于：燃路喷孔(7)的数量通过以下公式得到：
其中，n'为燃路喷孔(7)的数量，Q为液体质量流量，Cd为流量系数，d'为燃路喷孔(7)的孔径，ρ为液体密度，g为重力加速度，ΔP为入口压力与背压之间的压差。
10.根据权利要求2所述的具有微小流道集液腔的双组元姿控推力器喷注器，其特征在于：所述氧路分流道(4)的孔径为氧路喷孔(5)的孔径的3～10倍。
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